“圣埃尔莫之火”如何帮助保护飞机免受雷击

这种被称为圣埃尔莫之火的电气现象在强雷雨期间表现为一道蓝色闪光，通常是在手机塔、电线杆和船桅等导电结构的尖端-这就是它的名字的由来，以纪念水手的守护神--福尔米亚的圣伊拉斯谟(St.Erasmus Of Formia)。“圣埃尔莫之火”是为了纪念水手的守护神--福尔米亚的圣伊拉斯谟(St.Erasmus of Formia)而得名的。在地面上，圣埃尔莫的火在刮风的条件下会发出更明亮的光，因为风有助于进一步刺激周围的空气。

但根据最近发表在《地球物理研究杂志：大气》上的一篇论文，麻省理工学院的科学家发现，风对飞机机翼和涡轮叶片等未接地的结构有相反的影响。他们在调查利用圣埃尔莫之火控制飞机电荷的可能性时发现了这一点，从而帮助飞机免受雷击。

圣埃尔莫的火不是一种形式或闪电；它本质上是一种被称为电晕放电的连续电火花，就像霓虹灯的光芒。暴风云中积累起来的摩擦力会产生一个延伸到地面的电场。如果它足够强，摩擦力就会分解周围的空气分子，使空气电离，产生等离子体(带电气体)。所有多余的电子将等离子体分子击打到激发状态，然后等离子体分子发射光子，产生具有说服力的光芒。辉光的颜色取决于被电离的气体的类型。因为地球的大气层主要由氮和氧组成，所以光芒呈现出蓝色或紫色的色调。

至于为什么圣埃尔莫的火通常在尖锐的、导电的物体周围形成，空气是一种很好的电绝缘体。然而，电气工程师威廉·比蒂曾在“科学美国人”杂志上解释说，如果金属棒末端的电场很强，它附近的空气分子就会被电离，电荷就会从棒的末端流出来。由于电场在高曲率区域会增强，尖头金属棒末端的放电就会增强。

对这一现象的描述可以追溯到古希腊。例如，在奥斯曼帝国1453年围攻君士坦丁堡期间，有报道称圣埃尔莫的大火从竞技场顶部射出。费迪南德·麦哲伦的舰队在第一次环游地球的探险中多次目睹了这一现象。查尔斯·达尔文(Charles Darwin)写道，当小猎犬号(HMS)停泊在拉普拉塔河(Rio De La Plata)时，他看到了圣埃尔莫的大火：甚至连桅杆都被蓝色的火焰指向。尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)在1899年用他的一个线圈创造了圣埃尔莫的大火。2009年，有报道称，法航447航班在飞行途中出现了这种现象，大约在飞机失速坠入大西洋前20分钟，机上人员全部遇难。(然而，圣埃尔莫的火灾并不是导致坠机的一个因素。)。

麻省理工学院的卡门·格拉-加西亚是这篇最新论文的合著者，他研究了飞机如何与闪电相互作用的各个方面。这包括探索可能的实用方法来降低雷击风险。在考虑新的车辆配置(无人机、混合翼机身)、新复合材料或电动飞机等新概念时，开发另一种设计防雷措施的方法尤其重要，她告诉美国广播公司(ARS)，对于这些新概念，我们没有太多的历史信息。

撞击飞机的雷击约有90%是由飞机本身产生的，因为飞机外部的导电部分起到了避雷针的作用。这些雷击对绝缘良好的机舱内的乘客来说并不是特别危险，但它们可能会对飞机造成损害，导致航班延误，以便进行额外的安全检查，或者导致飞机完全停止服务。由于较新的飞机采用了碳纤维等复合材料，这可能会增加与闪电相关的损坏风险。

2018年，格拉-加西亚和几位同事发表了一项理论研究，探索飞机的净电荷可能如何影响飞机本身产生雷击的可能性。他们公认的违反直觉的想法是开发一种机载系统，将飞机充电到恰到好处的水平，从而显著降低被闪电击中的可能性。

当飞机在雷雨中飞行时，外部可能会变得两极分化：飞机的一端带更多的正电，另一端带更多的负电。当这种情况发生时，它可以触发一股高导电性的等离子体流。格拉-加西亚说，你可以想象两个快速传播的电离通道，一个是正的，一个是负的(称为引导者)，它们从飞机上发出，并与地面的云层相连，"；盖拉-加西亚(Guera-Garcia)说。我们提出，通过人为修改(飞机)的净电荷，可以降低发生这种情况的可能性。这是因为两位领导人之间存在不对称，积极的领导人受到青睐。她说：如果你将(飞机)收费为负值，你就会让积极的领导者更难被启动。

她和她的团队在闪电实验室测试了他们的假设，结果令人鼓舞。下一步是确定一种可以为飞机机翼人工充电的方法，研究人员认为他们或许可以利用圣埃尔莫的火。格拉-加西亚说，电晕放电通常是闪电的第一阶段。电晕放电的行为很重要，可以说是为下一步在通电方面可能发生的事情做好了铺垫。

格拉-加西亚和她的团队在麻省理工学院的莱特兄弟风洞(去年拆除之前)进行了一系列实验。他们用木头做了一个飞机机翼模型，并用铝箔将其包裹起来，使其具有导电性。他们把它放在一个绝缘的基座上，这样它就不接地了。然后，他们用一个小的机载高压电源产生了辉光电晕放电。一根金属导线与机翼的长度平行，将高压端子连接到电晕产生电极，将低压端子连接到机身。在飞行过程中打开电源会产生发光的电晕放电，而电晕放电又会发射出正离子。

接下来，研究人员将模型翼置于越来越强的阵风中。他们发现，随着风的加强，电晕放电的强度和亮度都会降低-这与在多风条件下观察到的接地物体的情况相反。

格拉-加西亚解释说，有一个短暂的阶段，在这个阶段离子被风吹走，机身因此带负电荷。当电极电隔离时，我们学到了几个关于风中电晕放电行为的新知识。此外，我们还展示了，确实，你可以用这种方法给孤立的物体充电，比如飞机--当然有一些限制。

当然，要考虑的变量有很多，比如最优的几何形状和线翼位置，一旦升空，你唯一能控制的就是船上电源的航程幅度。格拉-加西亚说，出于实际目的，可能会有更好的充电方式，但这项研究证明了将电荷发射用于这一目的的想法。